Длинные волны в океане реферат

Обновлено: 05.07.2024

Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Вол ны на воде Кто из нас , сидя у воды и бросая в нее камешки , не любовался картиной разбегаю щихся волн ! Но мало кто задумывался , почем у высота волн быстро убывает с расстоянием r от места падения ка мня . Можно назвать сразу две гла вные причины , ведущие к такому ослаблению волн . Первая связана с расходимостью круговых волн : сохранение потока энергии ведет к падению амплитуды (высоты ) волны по закон у H~r-1/2. Другой эффект менее тривиален : скорость вол н на воде зависит от их длины (у более длинных волн и скорость больше ); в результате , как нам кажется , с расстоянием волны становятся более длинными . И хотя каждый , кто бросал камень в воду , наблюдал этот эффект , в школьных у чебниках его традиционно описыв а ют на примере разложения обычного света , проходя щего через призму , на его цветовые составл яющие (спектр ). И в том и в другом случае мы имеем дело с дисперсией волны , когда начальное возмущение , образуемое в месте бросания кам ня , "растаскивается " на спектр альные компоне нты . Каждая из волн бежит со своей ско ростью , и вперед выходят более длинные . Эт от эффект может быть пояснен на примере излюбленной школьной задачи , когда путешественн ики А и Б выходят из одного пункта с разными скоростями в одном направлени и и расстояние между ними возраст ает линейно со временем . Переходя теперь к большому числу таких путешественников , скоро сти которых различны , легко понять , что "пл отность " путешественников (число людей на 1 м ) падает с расстоянием от исходного пункта . Анал о гичные оценки для волн , исх одя из закона сохранения энергии , также пр иводят к зависимости H~r -1/2. Совместное воздействие этих двух причин ведет к суммарному ос лаблению высоты волны (вследствие дисперсии и расходимости ) по закону H~r-1. Благодаря быстром у ослаблению высоты волны происходит локализация возмущений на воде (иначе бы штормовые волны , зародившись в одном мест е , оставались опасными для всего океана ). Одна ко это упрощенная картина , в которую не вошло достаточно много исключений . Например , гигант ские морские волны , зародившиеся при землетрясении в Чили 22 мая 1960 г . (такие волны называют цунами ), пересекли весь Тихий океан (примерно 17 тыс . км ) и накатились на побережье Дальнего Востока , где высота их достигала 7 м . Об эффектах , которые приводят к ан омально долгому существованию волн на воде (и в воде ), и будет расск азано в этом реферате . Нел инейность и солитоны Каки е же факторы способны воспрепятствовать быстр ому ослаблению волнового поля ? Во-первых , огран ичение распространения волны только од ной пространственной координатой , чтобы ликвидироват ь ее расходимость в виде круговых волн . Простейший пример - распространение волны в реке . В открытом океане естественными каналам и (волноводами ) служат подводные хребты и течения струйного типа (например, Гольфстрим ). Роль таких волноводов была понята давно . Однако они не могут препятствовать эффек там дисперсии , и , следовательно , волна все равно ослабляется (хотя и не так быстро ) и ее длина возрастает . Друг им фактором , о котором здесь нужно сказать , являе тся нелинейность . Под этим понят ием мы будем подразумевать зависимость скорос ти распространения волны от ее амплитуды . Во всех линейных моделях скорость распростран ения определяется характеристиками среды (наприме р , для волн на воде максимальная скорость и х распространения , г лубиной водоёма ). Между тем глубина водоема под различными частями в олны различна : она увеличивается под гребнем и уменьшается под впадиной . Вооб ще говоря , скорость распространения волны зависит от локальной глубины . Но это означает , ч то греб ень волны должен двигаться быстрее ее впа дины и , следовательно , профиль волны будет искажаться : его передний фронт будет становит ься все более крутым и в конце концов волна должна опрокинуться (каждый , кто ку пался в море , знает , как обрушиваются во л ны вблизи берега ). Тепе рь уже можно понять совместное влияние не линейности и дисперсии на трансформацию волн . Рассмотрим , например , эволюцию гребня . Нелиней ность в чистом виде , как мы уже описал и , хочет , так сказать , привести к тому , чтобы передний фронт становился круче , и гребень стремится догнать подножие . Дисперси я же в чистом виде стремится растащить волну на ее спектральные компоненты , чтобы более короткие волны отставали от тех , которые длиннее . Следовательно , нелинейность , сп особствующая образован и ю более крутого фронта волны (с высокочастотными гармониками ), и дисперсия , стремящаяся утащить короткие волны с крутого фронта , действуют в про тивоположных направлениях . Но тогда возможна их взаимная компенсация , и форма волны в процессе распространения б удет неизм еняющейся (стационарной ). В олна представляет собой движущийс я одиночный гребень , скорость и длина кото рого зависят от высоты волны . Н . Забуски и М . Крускал в 1965 г . назвали его солит оном (от англ . solitary wave - уединенная волна ). Главная особ енность солитонов заключается в неи зменности их формы в процессе распространения , и , следовательно , такие волны могут распр остраняться на очень большие расстояния без потери своей энергии . Роль представлений о солитонах резко возросла , когда стало яс но , ч т о если начальное возмущение имеет другую форму , то оно сбрасывает в се лишнее в хвост и трансформируется в солитоны , число которых определяется законами сохранения (массы , энергии ). Кроме того , сол итоны сохраняют свою форму при взаимодействии с себе подобн ы ми. Выше мы рассказали о солитонах на воде . Но в океане волны бегают не толь ко на его поверхности . Океан не является однородным по вертикали , его температура и соленость зависят от глубины , а значит , и плотность морской воды не остается постоянной . Отсюда следует , что океан м ожно представить как совокупность многих пове рхностей , разделяющих слои с разными плотност ями . Каждая такая поверхность в принципе п охожа на водную поверхность , где также про исходит скачок плотности (от воды к воздух у ), и , следовательн о , по этим поверх ностям могут также распространяться волны , по лучившие название внутренних . Поскольку скачок плотности внутри океана мал (по сравнению с морской поверхностью ), то мала и архим едова сила , двигающая частицы воды в волне . В результате амплитуд ы волн могу т достигать очень больших значений , отмечалис ь волны в 100 м . Во внутренних волнах так же должны быть солитоны , и мы активно занимаемся их исследованием и прогнозом . Воз буждение солитонов бегущими внешними волнами Важн ым фактором поддержания э нергии волн с лужат внешние воздействия . Простейший пример - появление волн на воде , как только подует ветер . Картинка стационарных волн за кора блем в его следе также общеизвестна . Прини мая во внимание постоянство скорости корабля , естественно было изучать сразу ста ционарную картину волн . К сожалению , это п риводило к сложным численным расчетам и н ичего не говорило об устойчивости получаемых картинок . Между тем солитон на воде б ыл открыт Д . Рассел ом в 1834 году . Он занимался исследованием перемещ ения по канал у баржи , которую тянула пара лошадей . Неожиданно баржа остановилась , но масса воды , которую баржа привела в движение , не остановилась , а собралась у носа судна , а затем оторвалась от нег о . Далее эта масса воды покатилась по каналу с большой скоростью в ви д е уединенного возвышения , не меняя сво ей формы и не снижая скорости . На протяжении всей жизни Рассел неодно кратно возвращался к наблюдению за этой в олной , поскольку верил , что открытая им уе диненная волна играет важную роль во мног их явлениях в природе . О н установил некоторые свойства этой волны . Во-первых , за метил , что она движется с постоянной скоро стью и без изменения формы . Во-вторых , наше л зависимость скорости этой волны от глуб ины канала и высоты волны . В-третьих , Рассел обнаружил , что возможен рас пад одной большой волны на несколько волн . В-четвертых , он отметил , что в экспериментах наблюдаются только в олны возвышения . Однажды он также обратил внимание , что открытые им уединенные волны проходят друг через друга без каких-либо изменений , как и мал ы е волны , образованные на поверхности воды . Однако на последнее очень важное свойство он не обратил существенного внимания . Работа Рассела , опубликованная в 1844 году как "Доклад о волнах ", вызвала осторожную реакцию в среде ученых . На континенте е е не зам етили совсем , а в самой Англии на нее обратили внимание Г.Р . Эйр и и Дж.Г . Стоке . Эйри подверг критике р езультаты экспериментов , которые наблюдал Рассел . Он отмечал , что из теории длинных вол н на мелкой воде выводы Рассела не по лучаются , и утверждал , что д л инные волны не могут сохранять неизменную форму . И в конечном итоге подверг сомнению правильность наблюдений Рассела . Один из осно вателей современной гидродинамики , Джордж Габриэл ь Стоке , также не согласился с результатам и наблюдений , полученными Расселом, и кри тически отнесся к факту существования уединен ной волны . После столь негативного отношения к от крытию уединенной волны долгое время о не й просто не вспоминали . Определенную ясность в наблюдения Рассела внесли Дж . Буссинеск (1872 год ) и Дж.У . Рэлей (1 876 год ), которые независимо друг от друга нашли аналитиче скую формулу для возвышения свободной поверхн ости на воде в виде квадрата гиперболичес кого секанса и вычислили скорость распростран ения уединенной волны на воде . Позже опыты Рассела были повторены другими исследователями и получили подтве рждение . Австралийскому физику Р . Гр имшоу и мне показалось интересным рассмотреть взаимодействие свободного солитона с внешним бегущим возмущением (баржей ) во времени . П ри этом мы рассчитывали убить двух зайцев : во -первых , корабельные волны должны бы ли получаться как некоторые стационарные сост ояния в математической модели и , во - вторы х , проблема устойчивости волнового следа реша лась бы автоматически в рамках более обще й нестационарной теории . Сделанные оценки был и перспективными , и мы активно пораб отали вместе над этой задачей , придумав уп рощенную модель явления и получив ряд при ближенных решений . Именно этой проблемой я и мои коллеги занялись в рамках еще первых поддержек от Фонда Сороса и про должили в рамках гран т а от Межд ународного научного фонда . Главная наша идея состоит в учете солитонного характера нелинейной волны . В это м случае волна описывается всего двумя па раметрами : амплитудой (или скоростью ) и координ атой (местоположением ), так что солитон , по существу , очень похож на классическую дви жущуюся частицу . Уравнение для такой частицы хорошо известно еще со средней школы и представляет собой второй закон Ньютона : ускорение частицы , умноженное на ее масс у , равно внешней силе , действующей на част ицу . В таких за д ачах , как извест но , очень удобно описывать внешние воздействи я в рамках потенциальных полей , и наглядны м примером здесь служит движение шарика п о криволинейной поверхности : частица колеблется в потенциальной яме . Остается понять , что происходит в на шем с лучае . Движущийся корабль выдавливает из-под себя воду - так образуется потенциа льная яма , в которую "сваливается " солитон . Если солитон имеет ту же скорость , что и корабль , и находится непосредственно в яме , то он является стационарным и пред ставляет соб о й нелинейную корабельную волну . Но это возможно только для сол итона одной-единственной амплитуды . Если скорость солитона больше скорости корабля , то возм ожны два режима . При очень большой разнице в скоростях солитон обгонит корабль , прак тически не испытав взаимодействия . Когда же скорости близки , солитон сначала ускор яется , сваливаясь в яму , а затем опять тормозится , пытаясь выбраться из нее . Теперь понятно , почему солитон , который движется почти синхронно с кораблем (резона нсный солитон ), колеблется около него . Есл и же солитон имеет малую амплитуду и находится впереди корабля , то он может уси литься , пока его догоняет корабль , а потом затухнуть , когда корабль его обгонит . В результате возможно появление солитонов , живущи х короткое время . Существование тако г о нестационарного волнового следа , меняюще го сопротивление движению корабля , требует до полнительной его мощности , и переменная нагру зка на двигатель возрастает . Трудности управл ения кораблем в условиях резонансного возбужд ения известны . Развитая теория да е т одно из возможных объяснений этого эффек та . Мы всюду говорили о корабельных волнах , испо льзуя для простоты изложения их наглядность . В результате наша задача стала казаться уж очень технической . В океанологии роль движущегося корабля играют перемещающие с я области давления , в частности , при шторм ах и ураганах . Такие крупномасштабные атмосфе рные воздействия приводят к возникновению бол ьших волн в океане . На метеорологических к артах , которые показывают по телевидению , можн о увидеть области как высокого , та к и низкого давления . Увеличение давления вызывает понижение уровня океана , а его уменьшение ведет к повышению уровня (эта связь получила название закона обратного барометра ). Первый случай похож на движущийся кора бль и может приводить к захвату солитона в поле давления . Уменьшение давления над водой , сопровождающееся повышением уровня океана , приводит к новым эффектам . Так , если солитон , имея скорость , близкую к с корости перемещающего давления , пытается догнать эту область , то ему не хватает энерги и , чтоб ы влезть на потенциальную г орку , и , потеряв энергию (а следовательно , и скорость ), солитон будет отставать от обл асти возмущения . В системе координат , связанно й с внешним возмущением , солитон отражается от него . Формально и здесь , конечно , суще ствует стаци о нарное решение , когда солитон сидит на вершине горы и распростр аняется вместе с ней , однако ясно , что такое решение является неустойчивым , и при малейшем смещении солитон скатится с верши ны горы . Друг им важным приложением развитой теории служат волны в по токах воды над неровным дном (например , над подводной банкой ). Очев идно , что в системе координат , связанной с потоком , такая банка движется и играет роль корабля , так что здесь возможны вс е те эффекты , которые описаны выше . Однако смысл таких решений здес ь сущест венно другой : солитоны стоят в потоке над изолированной неровностью дна и не смеща ются относительно нее . Такие стоячие структур ы в потоках , наблюдаемые в океанических те чениях типа Куросио , относительно легко измер ять в силу их долгоживучести . Отме т им также атмосферный аспект проблемы : стоячая структура в воздушном потоке над городом блокирует процессы обмена и способств ует образованию смога . Эти процессы сейчас активно изучаются . Получив объяснение эффекта в простой с итуации , захотелось , как это об ычно быв ает , немедленно рассмотреть более общие случа и , чтобы оценить реальность развитой теории . В частности , предположение о постоянстве ск орости движения внешнего возмущения представляет ся слишком сильным для океанологии . И мы рассмотрели ряд других во з можных движений . Здесь мне бы хотелось остановит ься на равноускоренном движении . Первый вопро с : существует ли резонансно движущийся солито н - решается тривиально . Такой солитон , конечно же , имеется , но его скорость должна сл едовать за скоростью внешнего в о зм ущения , значит , амплитуда солитона неограниченно нарастает . Вопрос об устойчивости такого со литона оказался еще более простым , чем в случае равномерного движения . Так , ускорение ведет к наклону потенциальной поверхности , поэтому если на ней была ямка , т о она и останется , при условии , конечн о , что перекос невелик . Если же была го рка , то из-за наклона на поверхности также образуется ямка . В результате солитон мож ет захватываться внешним возмущением любого з нака , и это явление должно быть широко распростран е но . Коне чно , для простоты изложения мы очень загру били модель : на самом деле солитон при взаимодействии не остается неизменным , часть его энергии излучается , теряется также масс а солитона (эти эффекты , естественно , учтены в нашей теории ). Число определяющ их п араметров на самом деле велико (как миниму м два - для возмущения и два - для солит она ), так что возможны более разнообразные , чем описанные здесь , режимы взаимодействия со литона с внешним возмущением . Учитывая прибли женность теории , мы специально пров е ли численное моделирование такого воздейс твия в рамках более полных уравнений , подт вердившее правомочность первоначальных оценок . На рис .4 показан результат расчета захвата с олитона ускоренно движущейся силой. Выше мы описали простейшие режимы взаи модейств ия солитона с внешним возмущением . Подход , при котором нелинейная волна рас сматривается как частица , оказался весьма пер спективным . Мы поняли , когда солитон может быть захвачен внешним полем , а когда отто ргнут им . Сразу стало ясно , куда надо д вигаться дал ь ше в решении этой проблемы . Например , внешнее возмущение может з ахватить несколько солитонов . Такие примеры м ы уже получали в численных экспериментах . Ответа на вопрос , сколько таких солитонов может быть захвачено одновременно , пока еще нет . Хоче тся также более внимательно рассмотреть геофизические аспекты этой проблемы , связанные с существованием стоячих структур в течени ях (данные наблюдений за биопродуктивностью о кеана выявляют корреляцию между интенсивностью этого процесса и местоположением таких стр у к тур ) и в атмосферных потоках над городами (в связи с проблемой смога ). Большинство таких процессов принципиально свя зано с внутренними волнами , скорость которых мала (1 м /с ), и им легко затормозиться на препятствиях . К сожалению , поле внутренни х волн оказ а лось весьма чувствител ьным к деталям стратификации плотности океана . Друг ой важный аспект - анализ солитонов с точк и зрения морских природных катастроф (цунами , ураганы ), поскольку они могут распространятьс я на большие расстояния . Но здесь пока еще многое остается только на уровне оценок. Лит ература о волнах : П . Ле Блон , Л . Майсек "Волны в океане ". В двух частях . М .: Мир , 1981. И.Т.Селезнев , В.Н.Сидорчук "Трансформация волн в прибрежной зоне шельфа ". Киев : Наукова думка , 1983. Н.Е.Вольцинг ер "Длинные волны на мелк ой воде ". Л .: Гидрометеоиздат , 1985. Кадомцев Б.Б ., Рыдник В.И . Волны вокруг нас . – М .. 1981 Кок У . Звуковые и световые волны . – М ., 1966 Трофимова К.И . Курс физики . – М ., 1990

Вторым, малоизвестным неспециалистам, видом движения морской воды являются внутренние волны. Хотя они открыты в океане уже давно, на рубеже XIX и XX вв. (экспедиция Нансена на "Фраме" и работа Экмана, объяснившего наблюдения мореплавателей), их активное изучение началось только после второй мировой войны. Внутренние волны возникают в слоях воды с относительно высоким вертикальным градиентом плотности, если внешнее возмущение выведет этот слой из состояния равновесия. Внешними возмущениями могут быть, например, приливно-отливные движения воды в зоне прибрежного подъема дна или подводных гор. Внутренние волны могут иметь весьма широкий спектр. Их верхняя частота зависит от вертикальных градиентов плотности и период этих колебаний практически не бывает короче 5-6 мин. Нижняя частота, называемая инерционной, определяется скоростью вращения Земли и географической широтой; соответствующий период равен 12-13 ч в полярных водах, на широте 30° он равен 24 ч и практически неограничен вблизи экватора. Длина короткопериодных (минуты) волн соответствует десяткам и сотням метров, а длиннопериодных (часы) - десяткам километров. Высоты длиннопериодных волн в глубинах моря, особенно в слое термоклина, составляют десятки метров, а иногда достигают и 100 м. Движутся внутренние волны очень медленно, гораздо медленнее, чем волны на поверхности, но распространяются они на большие расстояния от места возникновения. В Приложении 10 приведен пример записи короткопериодных внутренних волн.

Внутренние волны иногда достигают поверхности, но это не сопровождается подъемом воды - препятствуют силы гравитации. Однако рисунок гребней на поверхности отчетливо виден в тихую погоду. Дело в том, что движение частиц воды во внутренней волне в областях гребней и впадин происходит в противоположных направлениях (так же, впрочем, как и в поверхностных волнах, см. ниже). Из-за этого оказываются различными условия воздействия ветра на поверхность, т.е. условия возникновения мелкой ряби. Если вода на поверхности движется навстречу ветру, то рябь более интенсивна, чем при совпадении этих направлений. В результате на поверхности часто можно видеть чередование полос гладкой воды и воды, покрытой рябью. Зрительно это воспринимается как чередование светлых и темных полос (Приложение 11). Это явление видели многие, кто любовался спокойным морем с высокого берега или с палубы корабля. До недавнего времени оно не имело своего объяснения.

Однако внутренние волны не только оживляют морской пейзаж, встреча с ними под водой может оказаться роковой: есть предположение, что трагическая гибель в 1963 г. американской подводной лодки "Трешер" была вызвана внутренней волной. Внутренние волны (особенно короткопериодные) могут оказать заметное влияние и на распространение подводного звука. Они искажают горизонтальную слоистость вод океана, формирующую подводный звуковой канал. В присутствии внутренних волн изотермы и изопикны (поверхности равной температуры и плотности) из горизонтальных плоскостей превращаются в волнистые поверхности с заметными наклонами. Кстати, водолазы, часто визуально отмечающие границу верхнего термоклина по изменению коэффициента преломления света, в присутствии внутренних волн фиксировали и волнообразные колебания этой границы.

3.4 Поверхностные волны

Теперь о поверхностных волнах, о собственно морском волнении. Пожалуй, в море нет другого явления, которое так широко известно. От древних мореплавателей и философов до художников и поэтов современности, от старого деда, всю жизнь проведшего на берегу, до юного мальчика, впервые вступившего на морскую гальку, нет никого, кто оставался бы равнодушным к могучей и переменчивой красоте морских волн (Приложение 12, Приложение 13).

И тем не менее до сегодняшнего дня, несмотря на усилия многих ученых во всем мире, еще нет надежного способа количественно описать движение реальной морской поверхности. Ничтожно мало (меньше десяти) и число натурных опытов, где был бы зафиксирован с достаточной подробностью рельеф морской поверхности на площади протяженностью хотя бы в несколько сотен метров. Всем, кто соприкасается с этими вопросами, известны технические трудности таких экспериментов и сложности создания теории, учитывающей все многообразие геофизических факторов, влияющих на форму и движение морской поверхности.

Морское волнение является случайным процессом в том смысле, что каждая его реализация в деталях практически неповторима. Однако существуют некоторые общие закономерности волнения, и его связь с гидрометеоусловиями может быть описана статистическими методами. Как всякий случайный процесс, он может быть представлен как суперпозиция бесконечно большого числа гармонических составляющих со случайными амплитудами и фазами. Для описания волнения обычно используют энергетический спектр этих составляющих (Приложение 14).

Основная энергия волн сосредоточена в максимуме на частотах в доли герца, это примерно соответствует волнам, отмечаемым глазом человека на поверхности моря. Уровень и положение этого максимума на шкале частот зависят от скорости ветра: он тем выше и тем больше сдвинут в сторону низких частот, чем сильнее ветер. Волнение инерционно, и при любом изменении ветра лишь через некоторое время устанавливается динамическое равновесие между энергией, передаваемой от ветра к волнам, и затуханием энергии волн из-за их разрушения, внутреннего трения и передачи кинетической энергии в глубинные слои воды.

Интересно отметить, что частицы воды при волнении движутся совсем не так, как сама поверхность. Они не качаются, как щепка, плавающая на поверхности, и не бегут вместе с гребнями волн. Каждая частица воды вблизи взволнованной поверхности движется по замкнутой вертикальной орбите, имеющей форму, близкую к окружности, с радиусом, равным полувысоте волны (Приложение 15). Центр орбиты находится на горизонте, соответствующем положению равновесия в отсутствии волн. Амплитуда волнового движения и соответственно радиусы орбит частиц воды убывают с глубиной экспоненциально и тем быстрее, чем короче волна. На глубине, равной половине длины волны, амплитуда волнового движения убывает примерно в 23 раза, а на глубине, равной длине волны на поверхности, - более чем в 500 раз.

Совокупное действие всех перечисленных выше динамических водных процессов- синоптические вихри, течения, внутренние и поверхностные волны - порождает в толще вод турбулентное движение, флуктуации температуры и плотности. Величины вариаций характеристик воды невелики, но достаточны, чтобы оказать заметное влияние на скорость звука. Обусловленные этими вариациями пространственные и временные флуктуации скорости звука имеют случайный характер и особенно интенсивны в верхних слоях, включая перемешанный слой и слой верхнего термоклина.

Совсем недавно было обнаружено, что в океане существуют ярко выраженные неоднородности, сильно вытянутые в горизонтальном направлении. Эти образования имеют толщину в единицы и десятки метров и простирание в несколько километров по горизонтали. В сущности, океан представляет собой тонко прослоенный пирог. Современные чувствительные зонды, позволяющие детально изучить зависимость температуры, солености и скорости течения от глубины, показывают, что эти характеристики практически постоянны в пределах слоев и изменяются почти скачком при пересечении их границ. Соответствующую изрезанность приобретает и профиль скорости звука.

Естественно, что случайные нерегулярности скорости звука в толще воды и волнение ее поверхности оказывают значительное влияние на условия распространения звука в воде. Когда акустическая волна проходит через случайно неоднородную толщу океанских вод или отражается от взволнованной поверхности океана, часть звуковой энергии рассеивается в других направлениях.

Величина и фаза рассеянного поля в каждый момент времени зависят от той случайной комбинации неоднородностей и неровностей поверхности, которая встретилась на пути пробега звука от источника. Эти комбинации непрерывно изменяются как за счет беспорядочного движения самих неровностей и неоднородностей, так и из-за движения среды в целом относительно излучателя и приемника (качка и дрейф судов, течения и пр.).

При смене этих комбинаций (смене реализации среды) фаза и величина рассеянного звукового поля изменяются случайным образом, флуктуируют. При достаточно большом числе неоднородностей на пути распространения звука средние свойства рассеянного поля могут быть описаны статистическими методами. Одной из главных характеристик является интенсивность рассеяния, определяющая долю энергии первичной волны, рассеянную по другим направлениям. Вторая характеристика - среднее распределение рассеянной энергии по направлениям, или индикатриса рассеяния. Третья характеристика - частотный и пространственный спектры рассеянного поля.

Если излучатель и приемник находятся вблизи оси подводного звукового канала и распространение звука происходит без отражений от поверхности (Приложение 4), то случайные вариации скорости звука - на турбулентных неоднородностях - основная причина рассеяния энергии передаваемых по каналу сигналов. В этом случае глубина флуктуаций в точке приема, как правило, невелика и сигнал мало отличается по виду от излученного. Частота флуктуаций зависит от скорости смены реализации. Случайные турбулентные неоднородности в толще вод океана изменяются или смещаются весьма медленно (в акустике их принято называть даже "замороженными"). Поэтому смена реализации почти всегда определяется скоростью течений и движения судов. Если эти скорости известны, то частота флуктуаций позволит оценить размеры рассеивающих неоднородностей. Этот метод изучения температурных неоднородностей неоднократно применялся в океанологии.

Если источник звука находится вблизи поверхности, далеко от оси подводного звукового канала, то основная часть звуковой энергии переносится вдоль лучей, отражающихся от поверхности (Приложение 5). Термин "отражение" здесь может быть использован только весьма условно. На самом деле переизлучение звука морской поверхностью - процесс значительно более сложный, и в нем большую роль играет рассеяние звука волнами. Наиболее сильно рассеивают звук длинноволновые компоненты, соответствующие максимуму спектра волнения. Как правило, рассеянное поле отбрасывается в основном по направлению зеркального отражения от средней, т.е. горизонтальной, плоскости. В подавляющем большинстве океанических ситуаций рассеяние на поверхности сильнее объемного и, если звук отражается от поверхности, то этот процесс и определяет доминирующую часть рассеянного поля в удаленной точке приема.

Мы уже говорили, что если вдоль трассы распространения звука, вблизи поверхности, образуются зоны тени, то понятие "тень" здесь условно - сюда приходят звуковые волны, отраженные от дна океана. Остановимся более подробно на том, что представляют собой сигналы, "отраженные" дном. На дне есть неровности, которые имеют случайные размеры и расположены в пространстве также случайно. Акустические антенны, установленные на судах, движутся относительно дна за счет качки, дрейфа или хода судов. Из-за этого озвученная площадь дна ("звуковое пятно") непрерывно смещается и, следовательно, непрерывно изменяются фазовые соотношения между сигналами, переизлученными отдельными неровностями. В результате рассеяние звука неровностями дна, несмотря на их неподвижность, оказывается процессом, подобным рассеянию звука поверхностью. Рассеянный сигнал беспорядочно флуктуирует, и уровень его тем больше, чем более неровным является дно.

В равнинных районах дна океана отражение звука значительно ближе собственно к отражению. Рассеиваемая энергия сосредоточивается в узком максимуме индикатрисы вокруг зеркального направления, и поэтому уровень отраженных сигналов заметно выше, чем в гористых районах, хотя разница в типе грунта (ил на равнинах и скалы в горах) должна была бы привести к противоположному эффекту. Однако различие рельефа а, следовательно, и особенностей рассеяния оказывается доминирующим.

За последние десять лет в западной части Центральной Атлантики, в районах Флоринского пролива, Багамских и Бермудских островов учеными США были выполнены весьма интересные опыты. Большая часть работ проводилась с акустическими антеннами, закрепленными неподвижно на склонах дна; расстояния между корреспондирующими пунктами (длины трасс) варьировались от десятков до почти полутора тысяч километров. Работы выполнялись на частотах в сотни герц, а продолжительность непрерывных наблюдений составляла недели, месяцы, а в некоторых опытах была больше года.

В результате обработки полученных записей были выявлены сильные вариации амплитуды и фазы акустических сигналов с самыми разными периодами. На мелководных трассах основной механизм воздействия приливов на условия распространения звука связан с изменением толщины водного слоя и соответствующих этому вариаций структуры лучевой картины. В глубоком океане основная роль принадлежит внутренним волнам, порождаемым приливами вблизи материковых склонов. Следует добавить, что влияние внутренних волн не ограничивается вариациями амплитуды и фазы сигналов, изменяется и направление их распространения.

Объем реферата, естественно, позволил охватить только малую долю вопросов и направлений, изучаемых в акустике океана. "За бортом" остались все акустико-биологические проблемы - от рассеяния звука мелкими обитателями морей и океанов до сложнейших механизмов использования акустических волн такими высокоразвитыми животными, как дельфины. Вопросы собственных шумов моря - гидродинамических, подледных, сейсмических, биологических и т.д. - также остались за рамками статьи. Можно было бы назвать буквально десятки ситуаций, когда акустические волны эффективно используются для изучения океана: уже упоминавшееся картирование дна, поиск и учет рыбных запасов, разведка полезных ископаемых в толще дна океана и т.д. Все эти и многие другие проблемы изучаются молодой, быстро развивающейся наукой - акустикой океана

Люди порой не замечают большинство явлений природы. Они привыкли, что день сменяет ночь, что после зимы приходят весна, потом лето. Мало кто задумывается, сидя на морском берегу, откуда берутся волны, почему штиль внезапно меняется на легкую рябь, переходящую в буйную стихию.

Почему на море волны

Морские волны возникают, когда соединяются (сцепляются) между собой частицы воздуха и воды. Сначала воздух скользит по воде, вызывая зыбь, а позже начинают вздыматься тонны воды.

Колебания водной поверхности на море или океане через определенные интервалы времени принято называть волнами.

Гребень — самая высокая точка волны, а место ее образования — подошва. Временной промежуток от одного гребня до другого или от подошвы до подошвы — волновой период. Расстояние между двумя гребнями называют длиной волны.

Существует немало объяснений причин, из-за которых образуются волны в морях и океанах:

скачки давления в атмосфере; ; , происходящие в морских глубинах; ;
движение судов; , дующий с огромной силой.

Чтобы представить, как появляются морские волны, необходимо понимать, что вода начинает колебаться только под физическим воздействием, принудительно.

Виды морских волн

Существуют классификации явления по следующим признакам:

зарождение (приливные, ветровые, от движения судов и другие);
силы, пытающиеся вернуть водные частицы в состояние устойчивости;
местонахождение в слоях воды;
форма, длина, перемещение в пространстве.

Ветровые

Виновник их появления — сильный ветер. Величина напрямую зависит от мощи ветра.

Когда ветер ослабевает или прекращается совсем, на морской поверхности появляется зыбь — продолжение колебания по инерции.

Прибой образуется за счет ветровых волн или зыби. Они, передаваясь из глубинных вод открытого моря к берегу, изменяются по форме. Их сила может нарастать, обрушивая на 1м 2 берега до 90 тонн воды. Это очень опасно для плавсредств, пришвартованных у берега.

Внутренние

Появляются под водой. На это влияют разная плотность, степень солености, температура воды. Волновые колебания образуются в том месте, где различные слои воды соприкасаются.

Впервые о них заговорил ученый из Норвегии Нансен, когда проводил исследования за полярным кругом.

Внутренние волны могут быть выше поверхностных в несколько десятков раз, но их скорость ниже. Они обладают мощной разрушительной силой, опасны для подводных лодок, причалов, портовых построек.

Барические

В тех местах, где нередки циклоны, быстро меняется давление в атмосфере, образуются барические волны-одиночки. Проходя несколько сотен километров от того места, где образовались, они с огромной разрушительной силой внезапно обрушиваются на берег.

В 1935 году девятиметровая барическая волна ударила по берегу штата Флорида. Погибли несколько сотен человек. Такие явления часто случаются на индийском, японском, китайском побережьях.

Сейсмические

Подводные землетрясения, извержения вулканов, разломы земной коры на дне океанов вызывают образование сейсмических волновых колебаний. Сначала они не слишком большие, но по мере приближения к берегу становятся огромными. Их называют цунами.

Когда море вдруг отступает от берега не на один километр, это предупреждение о зарождении цунами. Сигнал бедствия, ведь вода возвратится к берегу монстром, уничтожающим все на своем пути.

Приливные

Образуются из-за приливов и отливов, вызываемых Луной. В месте зарождения они не выше двух метров, но приближаясь к берегу, вырастают до 18 м на Северном побережье Атлантики и до 13 м у берегов Охотского моря.

Стоячие (сейши)

Морская волна, гонимая ветром, сталкивается с той, что вернулась после удара о берег, — так образуются стоячие волны. Их величина зависит от рельефа берега и глубины водоема.

Волны-убийцы

Основная статья по этой ссылке.

Их называют странствующими чудовищами. Чаще всего они возникают в океанах.

Еще полвека назад морякам, рассказывающим о сильных волнах на море: крупных, небывалой высоты, — никто не верил. Научные теории о колебаниях воды в морях и океанах не фиксировали водных столбов выше 21 метра. Позднее участились случаи встреч с громадным водным чудовищем, высота которого превышала 25 метров, поэтому пришлось признать факт существования таких волн.

Факторы, влияющие на их появление, до конца не изучены, объяснения существуют на уровне гипотез.

Где самые большие волны в мире

Общепризнанным местом самых крупных волн в мире является деревушка Назаре, расположенная на побережье Атлантики, где живут португальские рыбаки.

Летом это место ничем не отличается от обычного курорта, куда съезжаются множество туристов. В зимний период народу не убавляется: прибывают серферы-экстремалы, люди, желающие увидеть морских гигантов 30-метровой высоты.

Такие огромные столбы воды — явление редкое, не считая волн-убийц и цунами.

Недалеко от деревни есть самое большое в европейской части подводное ущелье — каньон Назаре. Штормы Северной Атлантики, попадая внутрь ущелья, стремятся на берег. Но поскольку у берега мелководье, не способное остановить эту силу, тонны воды обрушиваются на побережье.

Волнующееся море — удивительное явление природы. Шум прибоя успокаивает, приводит в порядок мысли и чувства. Морская стихия очаровывает красотой и в то же время пугает бессилием человека перед величием природы.

По словам редких очевидцев, сумевших пережить буйство стихии, такие волны нередко возникают при вполне благоприятных погодных условиях, не предвещающих, казалось бы, никакой опасности.

Достоверных фактов о чудовищных волнах, неожиданно возникающих в открытом море, сравнительно немного, но тем не менее они накапливаются и требуют объяснения. Волны-убийцы совершенно не похожи на остальные: они в 3−5 раз превышают по высоте обычные волны, рождающиеся при сильном шторме.

Это не цунами

Эти грандиозные водные валы, высота которых, как это случилось в 1958 году на Аляске, могут превышать 50 метров, возникают обычно в сейсмоактивных зонах — в результате подводных землетрясений и извержений вулканов, оползней, взрывов, резкого изменения метеоусловий. Подобное явление чаще всего встречается в прибрежных районах Японии, у нас на Дальнем Востоке, в США, Канаде, в регионе Австралии и Полинезии, а иногда даже на Карибах и в Средиземноморье. Японские манускрипты ведут хронологию цунами начиная с 684 года.

26 августа 1883 года мощное извержение вулкана Кракатау в Индонезии обрушило на берег волну высотой 45 метров, которая привела к гибели 36 тысяч человек. Энергетика этой катастрофы была равнозначна 500 тысячам атомных бомб типа хиросимской, но большинство разрушений и жертв, как и в случаях с другими цунами, находились на берегу или неподалеку от него. Такие волны обычно быстро затихают в открытом море и не опасны для судов. Волна, возникшая при извержении Кракатау, несколько раз обогнула земной шар, но ее высота не превышала 40 см.

Сегодня цунами становится большой проблемой для стран, расположенных на тихоокеанском побережье. И все же гигантские волны-одиночки — это не цунами. Они никак не связаны с сейсмической активностью. Есть версия, что они могут порождаться упавшими в океан метеоритами. Так, ученые полагают, что примерно 100 000 лет назад на побережье Гавайских островов обрушилась волна 300-метровой высоты, вызванная, видимо, падением крупного метеорита. Но это, к счастью, явление чрезвычайно редкое.

Механика волны

Частицы воды благодаря их большой подвижности легко выходят из состояния равновесия под действием разного рода сил и совершают колебательные движения. Причинами, вызывающими появление волн, могут быть приливообразующие силы Луны и Солнца, ветер, колебания атмосферного давления, подводные землетрясения или деформации дна. Ветровые волны образуются за счет энергии ветра, передаваемой путем непосредственного давления воздушного потока на наветренные склоны гребней и трения о поверхность воды.

Природа образования волн на водной поверхности была хорошо изучена, смоделирована и описана европейскими учеными в первой половине XIX века. Уже тогда было ясно, что при ветре силой более двух баллов (скоростью свыше четырех узлов) потоки воздуха передают морской ряби энергию, вполне достаточную для образования настоящих волн и зыби.

Если ветер не утихает, волнение постепенно усиливается, так как колебательные движения воды получают дополнительную энергию извне. Высота волны при этом зависит не только от скорости ветра, но и от продолжительности его воздействия, а также от глубины и площади открытой воды.

В справочниках и энциклопедиях приведены высоты волн, характерные для разных океанов. Так, энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона сообщает, что самые большие волны встречаются в области западных ветров Индийского океана (11,5 м) и в восточной части Тихого океана (7,5 м). Однажды такие волны наблюдались у Азорских островов (15 м) и в Тихом океане между Новой Зеландией и Южной Америкой (14 м).

Когда волна, приходящая из открытого моря, выклинивается возвышенным дном, возникает прибой или бурун. На западном побережье экваториальной Африки и возле Мадраса в Индии волны прибоя иногда достигают 22 метров в высоту. Некоторые ученые-океанологи отрицают существование громадных волн-убийц в открытом море, считая, что объективная картина искажается в глазах перепуганных очевидцев. Из-за углубления, которое всегда идет перед волной, возникает особый эффект восприятия, усиливающийся еще и тем, что корабль располагается не горизонтально, то есть параллельно подошве волны, а наклонен к ней. В итоге высота волны может сильно преувеличиваться.

Тем не менее постоянно накапливающиеся факты доказывают обратное. Известно, что разные волны могут взаимодействовать, вызывая усиление и ослабление волнения. Наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн. Это явление называется интерференцией.

Интерферируя между собой, могут сталкиваться воздушные потоки и морские течения, и тогда их энергия суммируется в виде волн. Вот почему можно встретить суперволны в Гольфстриме, Куросио и других мощных океанских течениях.

Возле пользующегося дурной славой мыса Горн происходит то же самое: быстрые течения сталкиваются с противодействующими ветрами. Однако и механизмы интерференции не могут дать исчерпывающего объяснения причин возникновения волн-великанов.

Одинокие убийцы

В разгадке секретов гигантских волн на помощь океанографам пришли физики и математики. Ефим Пелиновский изучил и описал механизм возникновения уединенных стационарных волн, которые называют солитонами (от solitary wave — уединенная волна). Главная особенность солитонов состоит в том, что эти волны-одиночки не меняют своей формы в процессе распространения, даже при взаимодействии с себе подобными. Такие волны могут распространяться на очень большие расстояния без потери своей энергии. Толща воды в океане устроена весьма непросто. Океан неоднороден по вертикали: там имеются слои разной плотности, в каждом из которых могут возникать и распространяться внутренние волны, достигающие высоты в 100 и более метров. Пелиновский считает, что во внутренних слоях океана тоже существуют солитоны, и активно занимается их исследованием и прогнозом.

Крупномасштабные атмосферные воздействия — циклоны и антициклоны — приводят к повышению или понижению поверхности океана в областях низкого и высокого давления. Эта связь получила название закона обратного барометра. Понижение атмосферного давления только на 1 мм ртутного столба может вызвать повышение уровня океана в этом месте на 13 мм. Если же давление падает на десятки миллиметров, что нередко случается во время тайфунов, то на поверхности океана появляется возвышенность в метры или десятки метров, которая, распространяясь, может породить гигантскую волну. Перепады давления могут привести к возникновению резонансных явлений, которые и служат причиной зарождения огромных волн в океане.

Математическое моделирование морских волн проводится сегодня во многих странах мира, ученые предлагают решения, весьма непохожие друг на друга, по‑разному описывая разные типы гигантских волн.

Конечно же, математические модели создаются не только ради объяснения природы волн. Ученые ставят перед собой вполне конкретную цель — научиться спасать от гибели суда и нефтегазовые сооружения на шельфе. А главное — жизнь людей. В конце 90-х Европейский союз создал проект MaxWave — с целью собрать факты и документально подтвердить существование одиночных громадных волн, а также отслеживать, моделировать и прогнозировать их появление, чтобы информировать моряков об опасности. Подобный проект по мониторингу гигантских волн выполняет в США Управление морских исследований, в котором накапливаются постоянные наблюдения, полученные при помощи авиации, спутников и радаров.

Научные исследования показали, что в среднем одна из 23 волн существенно превосходит другие по своим параметрам. Статистика свидетельствует, что одна уединенная волна, втрое превосходящая по своим параметрам обычную, приходится на 1175 волн, а четырехкратное превышение встречается у одной волны из 300 тысяч нормальных. Однако статистика, к сожалению, не позволяет предсказать появление волны-убийцы.

Последние наблюдения ученых доказывают, что волны-гиганты — не такая уж редкость, и их существование следует учитывать при проектировании судов. В университете Глазго составлен каталог недавних морских катастроф, вызванных волнами-убийцами. Из 60 сверхкрупных судов, затонувших в период с 1969 по 1994 год, 22 грузовых судна длиной более 200 метров стали жертвами гигантских волн. Они проламывали главный грузовой люк и затапливали главный трюм. В этих кораблекрушениях погибло 542 человека. В большой опасности оказываются и нефтяники, так как добыча постепенно перемещается на океанский шельф, а при проектировании нынешних морских платформ и плавучих буровых существование гигантских волн-убийц явно не бралось в расчет.

ГОСТ

Динамика вод Мирового океана. Волны. Общие положения

Мировой океан - это основная часть гидросферы, характеризующаяся особенностями температурного, солевого и биологического состава.

Одной из основополагающих характеристик Мирового океана, как части гидросферы, является непрерывное движение и перемешивание вод.

Движение водных масс происходит не только на поверхности Мирового океана, но и в его глубинах, вплоть до придонных слоев. Динамика воды наблюдается во всей ее толще, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Данные процессы поддерживают регулярное перемешивание водных масс, перераспределение тепла, газов и солей, что обеспечивает постоянство химического, солевого, температурного и газового составов. К формам движения (динамики) водных масс в Мировом океане относятся:

волны и зыбь;
волны стихийного характера;
течения и приливы;
конвективные токи и т. д.

Волны – это явление, образующееся под действием внешних сил различного характера (ветра, Солнца и Луны, землетрясений и т.д.) и представляющее собой периодические систематические колебания частиц воды. Основной причиной образования волн на поверхности любого водного объекта, к которым относятся и воды Мирового океана – является ветер и ветровые процессы. Незначительная скорость ветра равная порядка $0,2-0,3$ м/с в процессе трения воздуха о поверхность водных масс вызывает систему незначительных равномерных волнений, называемых рябью. Рябь проявляется при единовременных порывах ветра и моментально затухает при отсутствии воздействия ветровых процессов. Если скорость ветра составляет $1$ м/с и более, то в таких случаях формируются ветровые волны.

Формирование волнений вод Мирового океана может быть вызвано не только благодаря воздействию ветровых процессов, но и также резким изменением атмосферного давления, приливообразующими силами (приливные волны), стихийными процессами - землетрясениями, извержениями вулканов (сейсмические волны – цунами). Корабли, яхты, паромы, лодки и прочие судоходные инженерные сооружения, в процессе своей непосредственной деятельности, при рассекании поверхности водного зеркала создают особые волны называемые корабельными.

Готовые работы на аналогичную тему

Волны, формирующиеся исключительно под влиянием внешних, вызывающих их сил, - вынужденные. Волны, которые продолжают свое существование некоторое количество времени после того, как сила, вызывающая их, прекратила свое действие называются свободными. Волны, которые сформированы на поверхности водного зеркала, а также в самом верхнем слое водных масс Мирового океана (до $200$м.) –поверхностные.

Волны, возникающие в более глубоких частях океанов и визуально незаметные на поверхности воды, называются внутренними волнами.

Сила и размер ветровых волн напрямую зависят от скорости ветра, временной составляющей его воздействия на поверхность водного зеркала, а также размера и глубины пространства водных масс, охваченных ветровыми процессами. Высота волн, от основания до ее гребня, обычно составляет не более $5$ метров, значительно реже наблюдаются волны с высотой от $7$ до $12$ метров и более. Самыми большими по размеру и силе ветровые волны образуются в южном полушарии Земли, это объясняется тем, что в этой части океан непрерывен, отсутствуют крупные участки суши в виде материков или островов, а также на высоту волн оказывают влияние сильные и постоянные западные ветры. Волны в этом регионе Мирового океана могут достигать $25$ метров в высоту, а их длина может составлять сотни метров. Гораздо меньше волны в открытых и особенно во внутренних морях, чем в открытом океане. Например, в Черном море максимальная отмеченная высота волн составляет $12$ метров, в Азовском море эти показатели на порядок ниже – $4$ метра.

В момент, когда прекращается ветровая деятельность в океане формируются длинные пологие волны – зыбь. Зыбь – это наиболее идеальная и неискаженная форма волны. Поскольку зыбь – это и есть по сути свободное волнение, то и распространяется эта волна гораздо быстрее по сравнению с другими волнами. Длина такой волны в состоянии зыби может устанавливаться до нескольких сотен метров, а принимая во внимание их малую высоту, волновые процессы зыби в Мировом океане, особенно на открытых его участках, практически незаметны.

Однако, поскольку распространение волн происходит со значительной скоростью, то они имеют свойство обрушиваться на береговую часть суши за несколько сотен и даже тысяч километров от места их первоначального образования. Движение водных масс с глубиной активно затухает. На глубине, равной длине волны, волнение практически прекращается.

Так как длины ветровых волн во многих случаях является не значительной, то даже при самом активном волнении, на глубине от $50$ метров и глубже данные волны практически не ощутимы. Таким образом, сила волн напрямую зависит от ее высоты, длины и ширины гребня. Но основная роль все-таки принадлежит ее высоте.

Из-за непостоянства водной среды и регулярной динамики и перемешивания, слои водных масс Мирового океана обладают различной степенью плотностью, вязкости, скорости движения, солевого состава. Наиболее ярким примером служат районы Мирового океана, где присутствуют такие явления как таяние ледников, айсбергов, в местах интенсивного выпадения атмосферных осадков и в устьях полноводных рек. В данном случае воды Мирового океана покрываются слоем пресной воды, формируя необходимые условия для образования так называемой внутренней волны, проходящей на поверхности водораздела пресных и соленых водных масс.

На основании океанологических исследований было установлено, что внутренние волны в открытом Мировом океане встречаются с той же частотой, что и волны поверхностные. Довольно часто основными механизмами образования внутренних волн являются процессы изменения атмосферного давления, скорость ветра, землетрясения, приливообразующие и другие факторы. Внутренние волны характеризуются значительной амплитудой, но не большой скоростью распространения. Высота внутренних волн как правило достигает $20–30$ м, но может составлять и до $200$ метров. Волны с такой высотой характеризуются как редкое и непостоянное явление, но все же встречаются, например, в Южной Европе в районе Гибралтарского пролива.

Течения Мирового океана

Морские течения - одна из важнейших форм движения в Мировом океане. Течениями называются относительно правильные периодические и постоянные глубинные и поверхностные перемещения масс вод Мирового океана в горизонтальном направлении. Основные течения Мирового океана представлены на рис.1.

Данные перемещения водных масс играют одну из первоочередных ролей как в жизни Мирового океана, так и его обитателей, к которым относятся:

обмен вод Мирового океана;
создание особых климатических условий;
рельефообразующая функция (преобразование береговой линии);
перенос масс льда;
создание условий обитания для жизни биологических ресурсов океанов.

Также одной из ведущих ролей океанических течений является циркуляция атмосферы и создании определенных климатических условий различных частей планеты.

Огромное количество течений Мирового океана можно разделить на категории:

по происхождению;
по устойчивости;
по глубине расположения;
по характеру движения;
по физико-химическим свойствам.

По происхождению течения в свою очередь подразделяются на: фрикционные, градиентные и приливно-отливные. Фрикционные течения образованы под воздействием ветровых сил. Так, фрикционные течения, которые вызваны временными ветрами, называют ветровыми, а вызванные господствующими ветрами-дрейфовыми. Среди градиентных течений можно выделить: бароградиентные, стоковые, сточные, плотностные (конвекционные), компенсационные. Стоковые течения формируютсяв результате наклона уровня моря, которое вызвано впадением речных пресных вод в океанические воды, выпадением атмосферных осадков или их испарением; сточные обусловлены наклоном уровня моря, характеризующегося впадением воды из других районов моря под воздействием внешних сил.

Течения приводят к снижению объема воды в одной части Мирового океана, вызывая снижение уровня, и увеличению в другой. Разность уровней между частями Мирового океана мгновенно приводит к движению соседние части, которые стремятся ликвидировать эту разность. Таким образом, рождаются компенсационные течения, то есть течения вторичного характера, возмещающие отток воды.

Приливно-отливные течения создаются составляющими приливообразующих сил. Наибольшую скорость эти течения имеют в узких проливах (до $22$ км/ч), в открытом океане она не превышает $1$ км/ч. В море редко наблюдаются течения, обусловленные только одним из указанных факторов или процессов.

По устойчивости течения подразделяются на постоянные, периодические и временные течения. Постоянные – это течения, всегда находящиеся в одних и тех же районах Мирового океана и практически не изменяющие свои скорость и направление за конкретный сезон или календарный год. К ярким примерам таких течений можно отнести пассатные течения, такие как Гольфстрим и другие. Периодические – это течения, направление и скорость которых изменяются на основании тех изменений, которые вызвали их причин. Временные – это течения вызываемые причинами случайного характера (порывами ветра).

По глубине течения можно разделить на поверхностные, глубинные и придонные. По характеру движения - меандрирующие, прямолинейные и криволинейные. По физико-химическим свойствам - теплые, холодные и нейтральные, соленые и распресненные. Характер течений формируется из соотношения показателей температуры или соответственно солености воды, формирующих течение. Если температура течений превышает температуру окружающих водных масс, то течения называются теплыми, а если ниже – холодными. Аналогично с этим определяются соленые и распресненные течения.

Сейсмические и приливные волны

Сейсмические волны (цунами)

Основной причиной формирования сейсмических волн (цунами) являются преобразование рельефа океанического дна, происходящие в результате движения литосферных плит, следствием которых являются землетрясения, оползни, провалы, поднятия и другие явления, которые носят стихийный характер и возникают моментально на значительных участках океанического дна. Стоит отметить, что механизм зарождения сейсмических волн во многом зависит от характера процессов, преобразующих рельеф океанического дна. Например, при формировании цунами в открытом океане в процессе появления провала или трещины на дне участка Мирового океана, вода мгновенно устремляется в центр образованного углубления, заполняя сначала его, а вслед за этим переполняет, образуя огромный по объему столб воды на поверхности океана.

Образованию цунами в открытом океане и их обрушению на берег как правило предшествует снижение уровня воды. Всего за несколько минут вода отступает от суши на сотни метров, а в отдельных случаях и на километры, после этого на берег обрушиваются цунами. Вслед за первой самой крупной волной обычно приходят еще в среднем от $2$ до $5$ волн меньшего размера, с интервалом от $15-20$ минут до нескольких часов.

Скорость распространения волн цунами огромна и составляет $150-900$ км/ч. Обрушиваясь на побережья и населенные пункты, расположенные в зоне воздействия таких волн, цунами способны уносить человеческие жизни, разрушать объекты инфраструктуры, производственные здания и социальные объекты. Примером наиболее разрушительных цунами за последнее время может служить цунами в Индийском океана в $2004$ г., которое унесло жизни более чем $200$ тысяч человек и причинило ущерб на миллиарды долларов.

Появление цунами, в настоящий момент, можно предсказать с высоким коэффициентом точности. Основами таких прогнозов является наличие сейсмической активности (толчков) под толщей вод Мирового океана. Как правило, предсказания осуществляются по средствам следующих способов:

сейсмический мониторинг;
мониторинг с помощью мареографов (над уровнем поверхности Мирового океана);
акустические наблюдения.

Данные способы позволяют вырабатывать и предпринимать превентивные меры, направленные на обеспечение безопасности жизнедеятельности.

Приливные волны

Приливные волны – это явления, возникающие под воздействием сил притяжения Луны и Солнца и характеризующиеся периодическими колебаниями уровня Мирового океана. Действующие силы притяжения в системе Земля-Луна, а также центробежная сила, объясняют формирование приливных волн, одна из которых возникает на стороне, которая обращена к Луне, а другая – на противоположной.

Формирование приливной деятельности обусловлено не только участием Луны, но и влиянием Солнца, однако из-за гораздо большей удаленности Солнца от Земли, солнечные приливы более чем в $2$ раза меньше лунных. Ключевое влияние на приливы оказывают очертания береговой линии, наличие островов и так далее. Эта причина объясняет то, как приливные колебания уровня Мирового океана на одной и той же широте изменяются в широких пределах. Незначительные приливы наблюдаются у островов. В открытых водах Мирового океана подъем воды во время прилива может достигать не более $1$ метра. Гораздо больших значений приливы достигают в устьях рек, проливах и в заливах с извилистыми берегами.

Читайте также: